CN110018105B - 基质-裂缝系统气体流动模拟装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基质‑裂缝系统气体流动模拟装置与方法，该装置包括依次连接的气体增压注入系统、模型系统、恒温控制系统和计量系统，气体增压注入系统包括：气源罐和对气源罐中流出的气体进行增压的增压机构；模型系统包括：串联的三级岩心夹持器、为每级岩心夹持器提供围压的围压泵，以及设置在每级岩心夹持器入口端的压力表；三级岩心夹持器中依次装有基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心；恒温控制系统设在模型系统外，用于模拟地层温度；计量系统包括设置在最后一级岩心夹持器出口端的流量计和温度传感器。本发明能够实现高温高压条件下气体在储层基质‑裂缝系统中的流动模拟。

Description

基质-裂缝系统气体流动模拟装置与方法

技术领域

本发明涉及油气藏开发技术领域，尤其涉及一种基质-裂缝系统气体流动模拟装置与方法。

背景技术

我国致密气藏资源储量大，但自然产能较低，需要大规模压裂改造才能实现经济产能，提高最终的采收率。压裂改造后，水力裂缝沟通储层内的天然裂缝，缩短了气体从基质到人工裂缝的流动距离，形成了复杂的裂缝网络和基质-天然裂缝-人工裂缝多尺度流动系统。深入理解致密气藏压裂改造后气体在基质、天然裂缝和人工裂缝系统中的耦合流动过程，明确高温高压等储层特性对气体流动的影响规律，对致密气藏的高效改造和经济开发具有重要意义。

目前，针对致密气藏压裂改造后气体流动规律的研究手段主要有数值模拟和物理模拟。数值模拟的方法在不同程度上考虑了温度、应力等因素的作用，但流动模型大多基于常温常压下的实验数据建立，或简化了气体流动形式，无法准确表征储层条件下气体在基质中的滑脱及裂缝中的非达西流动等真实的物理过程。

另外，由于实验条件的限制，高温高压致密气藏的气体流动模拟技术尚不成熟，室内模拟简化了基质和裂缝的连通方式，只是单一地模拟了气体在基质或裂缝中的流动，无法真实模拟致密气藏压裂改造后气体从基质到天然裂缝以及人工裂缝系统中的完整气体流动过程，制约了气体流动模型的发展与完善。

针对目前数值模拟及物理模拟方式存在的缺陷，基于致密气藏高温高压、岩心配置关系及气体在各级流动通道的耦合特征，非常有必要开发一种新型的高温高压条件下基质-裂缝系统气体流动模拟装置与方法，以解决现有模拟装置及方法存在的问题。

发明内容

本发明的发明目的在于提供了一种基质-裂缝系统气体流动模拟装置与方法，其能够针对致密气藏在高温高压下模拟气体在各级流动通道的耦合特征，为深入认识致密气藏气体流动规律、高效开发该类气藏提供实验基础与理论依据。

本申请实施方式公开了一种基质-天然裂缝人工裂缝系统气体流动模拟装置，包括：依次连接的气体增压注入系统、模型系统、恒温控制系统和计量系统，所述气体增压注入系统包括：气源罐和对所述气源罐中流出的气体进行增压的增压机构；所述模型系统包括：串联的三级岩心夹持器、为所述岩心夹持器提供围压的围压泵，以及设置在每级岩心夹持器入口端的压力表；所述三级岩心夹持器中依次装有基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心；所述恒温控制系统设在所述模型系统外，用于模拟地层温度；所述计量系统包括设置在最后一级所述岩心夹持器出口端的流量计和温度传感器。

在一个优选的实施方式中，所述气体增压注入系统还包括过滤罐，所述过滤罐内设置有活性炭和吸水硅胶。

在一个优选的实施方式中，所述气源罐的出口设置有进气阀，所述进气阀与所述过滤罐之间设置有连接管线；所述增压机构包括：相互并联的第一活塞容器和第二活塞容器，以及增压泵，所述第一活塞容器和所述第二活塞容器具有上端并联节点和下端并联节点，所述上端并联节点包括第一管口和第二管口，所述第一管口通过设置有第一连通阀的管线与所述连接管线相连接，所述第二管口通过设置有第二连通阀的管线与所述连接管线相连接；所述下端并联节点的管口与所述增压泵相连接。

在一个优选的实施方式中，所述基质-裂缝系统气体流动模拟装置中的所有气体管线的管口焊接有防爆接头。

在一个优选的实施方式中，所述三级岩心夹持器分别为第一级岩心夹持器、第二级岩心夹持器、第三级岩心夹持器，所述第一级岩心夹持器的入口端设置有第一压力表，所述第二级岩心夹持器的入口端设置第二压力表，所述第三级岩心夹持器的入口端设置有第三压力表，所述围压泵同时向所述第一级岩心夹持器、第二级岩心夹持器和第三级岩心夹持器提供围压。

在一个优选的实施方式中，所述第一活塞容器的容积为2L，最大工作压力为50MPa；第二活塞容器的容积为500mL，最大工作压力为140MPa，所述第一压力表的量程为140MPa，所述第二压力表的量程为80MPa，所述第三压力表的量程为20MPa。

在一个优选的实施方式中，所述恒温控制系统包括恒温箱，以及设置在所述恒温箱的侧面底部的循环风机。

本申请还提供一种基于上述任一所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置的气体流动模拟方法，其包括：

根据基质岩心和天然裂缝岩心渗透率比值，选取基质岩心和天然裂缝岩心，与人工裂缝岩心放置于三级岩心夹持器中，形成基质-天然裂缝-人工裂缝系统；

设定初始注入压力、有效应力、初始温度、实验目标压力和实验目标温度，基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心所对应的岩心夹持器的入口端分别为A节点、B节点、C节点，所述人工裂缝所对应的岩心夹持器的出口端为D节点，进行气体增压和注入；

保持有效应力和温度不变，按照一定的压力间隔，增加注入压力至所述实验目标压力；改变所述温度，按照一定的温度间隔，重复上述气体增压和注入的步骤，逐步增加温度至所述实验目标温度；或者，保持所述初始注入压力和有效应力不变，按照一定温度间隔，增加温度至所述实验目标温度；改变所述初始注入压力，按照一定的压力间隔，重复上述气体增压和注入的步骤，逐步增加压力至所述实验目标压力；

获取不同温度和压力条件下出口端流量以及A节点、B节点、C节点、D节点的压力。

本申请还提供一种基于上述任一所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置的气体流动模拟方法，其包括：

根据基质岩心和天然裂缝岩心渗透率比值，选取基质岩心和天然裂缝岩心，与人工裂缝岩心放置于三级岩心夹持器中，形成基质-天然裂缝-人工裂缝系统；

设定初始注入压力、有效应力、实验目标压力和实验目标温度，基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心所对应的岩心夹持器的入口端分别为A节点、B节点、C节点，所述人工裂缝所对应的岩心夹持器的出口端为D节点，进行气体增压和注入；

保持有效应力和温度不变，按照一定的压力间隔，降低注入压力至所述实验目标压力；改变所述温度，重复上述气体降压和注入的步骤，逐步增加温度至所述实验目标温度；或者，保持所述初始注入压力和有效应力不变，按照一定温度间隔，增加温度至所述实验目标温度；改变所述初始注入压力，按照一定的压力间隔，重复上述气体降压和注入的步骤，降低压力至所述实验目标压力；

获取不同温度和压力条件下，出口端流量以及A节点、B节点、C节点、D节点的压力。

在一个优选的实施方式中，所述实验目标温度从20摄氏度升高到150摄氏度，增压过程中所述实验目标压力从5Mpa增加到140Mpa，降压过程中所述实验目标压力从140Mpa降低到5MPa。

在一个优选的实施方式中，气体流动方程中气体的性质均是温度和压力的函数关系，所述气体的性质包括密度、粘度，基质中气体滑脱效应以及裂缝岩心中非达西渗流也受到温度和压力的影响，所述方法还包括：改变温度和压力进行气体流动模拟，然后根据实验数据，拟合函数曲线，修正考虑温度和压力影响的气体流动方程。

本发明的特点和优点是：本申请实施方式中所提供的基质-裂缝系统气体流动模拟装置与方法，能够根据致密气藏特征，实现高温高压条件下气体在储层基质-裂缝系统中流动模拟，物理模拟不同温度压力条件下气体从基质到天然裂缝与人工裂缝系统的耦合流动过程，为深入认识致密气藏气体流动规律、高效开发该类气藏提供实验基础与理论依据。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1为按照本发明的高温高压致密储层基质-裂缝系统气体流动模拟装置的优选实施示意图；

图2为按照本发明的高温高压致密储层基质-裂缝系统气体流动模拟方法的流程图；

图3和图4为按照本发明的高温高压致密储层基质-裂缝系统气体流动模拟装置的图1所示实施例1的流量随节点压力平方差变化曲线图；

图5和图6为按照本发明的高温高压致密储层基质-裂缝系统气体流动模拟装置的图1所示实施例2的流量随节点压力平方差变化曲线图。

附图标记说明：

1、气源罐；2、第一活塞容器；3、第二活塞容器；4、过滤罐；5、中间容器；6、增压泵；7、围压泵；8、第一级岩心夹持器；9、第二级岩心夹持器；10、第三级岩心夹持器；11、流量计；12、温度传感器；13、第一压力表；14、第二压力表；15、第三压力表；16、进气阀；17、第一活塞容器连通阀；18、第二活塞容器连通阀；19、第一活塞容器增压阀；20、第二活塞容器增压阀；21、注入阀；22、围压阀；23、恒温箱。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

针对目前数值模拟及物理模拟方式存在的缺陷，基于致密气藏高温高压、岩心配置关系及气体在各级流动通道的耦合特征，开发了一种新型的高温高压条件下基质-裂缝系统气体流动模拟装置与气体流动模拟方法，以解决现有模拟装置及方法存在的问题。

如图1所示，本说明书实施方式中所提供的基质-裂缝系统气体流动模拟装置主要包括：依次连接的气体增压注入系统、模型系统、恒温控制系统和计量系统。所述模型系统设置在所述恒温控制系统内部。所述气体增压注入系统位于所述恒温控制系统外部。

其中，所述气体增压注入系统用于向所述模型系统提供预定压力的气体。具体的，该气体增压注入系统可以包括：一个气源罐1，两个活塞容器，一个过滤罐4和增压泵6以及必要的管线和用于控制通断的阀门。所述气源罐1、活塞容器和过滤罐4均置于所述恒温系统外部。

其中，所述两个活塞容器(分别为第一活塞容器2和第二活塞容器3)并联，并联的两个活塞容器形成有上端并联节点和下端并联节点。其中，上端并联节点有两个管口，其中一个管口通过管线与进气阀16和气源罐1相连接，另一个管口通过管线依次与过滤罐4、注入阀21和模型系统的中间容器5相连接；下端并联节点的管口与增压泵6相连。

具体的，该增压泵6为气源罐1提供的流体增压。具体的，所述气源罐1提供的注入流体可以为氮气、二氧化碳和天然气等，本申请在此并不作具体的限定。

在本实施方式中，该增压泵6具体可以为恒速恒压泵，其一方面通过活塞容器下腔室内的液体推动活塞压缩上腔室中的实验气体，为实验气体增压；另一方面可用作于注入泵，推注增压后的气体进入模型系统。具体的，该恒速恒压泵可以选用压力范围0～20000psi，最大流量25mL/min的高压高精度柱塞泵。

在本实施方式中，为了提高实验效率和自动化程度，该增压泵6可以为双泵系统。具体的，单柱塞泵当其柱塞中的液体打完后，必须停止注入，再次吸液，花费大量时间；而双泵是当第一泵注入时，第二泵吸液，待第一泵中液量低于某一值时，两个泵同时工作，维持压力和流量输出的稳定，第一泵中液量再低于某一值时，第一泵停止输出，开始吸液，第二泵输出，循环往复，其整个过程全自动。

在本实施方式中，两活塞容器既作为气体增压容器，也用作高压气体注入容器。其中，第一活塞容器2为大活塞容器，其容积为2L，最大工作压力为50MPa；第二活塞容器3为小活塞容器，其容积为500mL，最大工作压力为140MPa。该第一活塞容器2和第二活塞容器3的材质均可以为304不锈钢。两个活塞容器通过活塞间隔形成有上腔室和下腔室。其中，上腔室盛装实验所用气体，下腔室盛装蒸馏水。需要说明的是：气体压缩性不同于液体，由理想气体状态方程PV＝nRT可知，在温度不变的条件下，P₁V₁＝P₂V₂，若将10MPa，2L的气体压缩至50MPa，则气体体积将变为0.4L，故对于压缩气体，需要大量的气体参与，仅使用一级加压，压缩气量有限，为了满足实验需求，本申请实施方式中可以采用两级增压。如果需要更高压力，可采用多级增压。

所述过滤罐4设置在并联活塞容器上端一侧管口和注入阀21之间，内装有活性炭和吸水硅胶，用于吸附气体中所夹带的杂质和水。

气体增压和注入过程如下：气源罐1与并联的活塞容器上端一侧管口相连，连接在并联的活塞容器下端管口的恒速恒压泵作为增压泵6。在气体增压过程中，增压泵6始终为恒压模式，并且设置压力上限为140MPa，即泵的输出压力不能超过140MPa，从而保证实验操作人员及各类设备的安全。气体增压时，活塞容器中的活塞位于罐体底部，关闭注入阀21与第二活塞容器增压阀20，打开进气阀16、第一活塞容器连通阀17和第二活塞容器连通阀18。待各罐体中气体稳定后，关闭进气阀16，打开第一活塞容器增压阀19，根据实验所需压力，设置增压泵6的输出压力，将第一活塞容器2中气体向第二活塞容器3中压缩。

若第一活塞容器2中上腔室还有较大容积，气体已升至所需压力，可使用两个活塞容器中的任意一个进行气体注入。具体注入时，例如，可以打开注入阀21开始注入，或关闭第一活塞容器增压阀19打开第二活塞容器增压阀20，使用第二活塞容器3进行高压气体注入。若第一活塞容器2中的气体已完全进入第二活塞容器3中，气体压力还未能达到实验所需压力时，关闭第二活塞容器连通阀18，将增压泵6设置为卸压模式，第一活塞容器2中的活塞退至容器底部，此时再打开进气阀16，待第一活塞容器2充满气体后，关闭进气阀16，打开第二活塞容器连通阀18，设置泵压将第一活塞容器2中的气体压入第二活塞容器3中。

重复上述步骤，直至第二活塞容器3中的气体压力达到实验所需压力。实验所需压力在50MPa以上时，则先使用第一活塞容器2将第二活塞容器3中的气体压力升至较大的初始值，再关闭第一活塞容器连通阀17和第一活塞容器增压阀19，打开第二活塞容器增压阀20，对第二活塞容器3中的气体进行增压。为了保证实验的安全性，所有气体管线管口焊接防爆接头。

上述两种不同的情况主要是根据两个活塞容器的压限和容积确定的。第一活塞容器2压限50MPa，2L容积；第二活塞容器3压限140MPa，0.5L容积；若实验压力小于50MPa，可使用第一活塞容器2对气体增压，增压后气体的体积可由容器体积减去柱塞泵的液体注入量得到；若实验压力在50MPa与140MPa之间，则必须先使用第一活塞容器2对气体增压到50MPa后，关闭第一活塞容器连通阀17，再使用第二活塞容器3对气体增压。

在本实施方式中，可以使用恒温箱23作为恒温控制系统，以模拟地层温度。该恒温箱23具有中空的箱体，在恒温箱23箱体的侧面底部安装循环风机，推动恒温箱23内部加热棒产生的热量在箱体内进行循环，从而保证恒温箱23内部加热无死角，内部设备受热均匀。恒温箱23加热温度最高可达150℃，控温精度±1℃。一般的，地层中的气体为易燃易爆气体，为了保证实验的安全性，一般将加热温度控制在80摄氏度以内。当该恒温箱23的加热温度最高达到150摄氏度时，完全能够满足实验需求。

在本实施方式中，所述模型系统可以包括：第一级岩心夹持器8、第二级岩心夹持器9、第三级岩心夹持器10与围压泵7。三级岩心夹持器串联，内部放置不同类型的岩心。其中，第一级岩心夹持器8中放置有基质岩心，该第二级岩心夹持器9中放置有天然裂缝岩心，第三级岩心夹持器10中放置有人工裂缝岩心。用所述围压泵7对串联的三级岩心夹持器中的岩心分别施加围压。该围压泵7的出口端设置有围压阀22，用于控制该围压泵7与岩心夹持器的通断。一般的，进行模拟实施时，岩心夹持器中的围压根据实验压力进行设定和调节，具体的，该围压的具体数值范围为本申请在此并不作具体的限定。本申请实施方式中选用耐高温高压的岩心夹持器，最大岩心长度10cm，最大围压150MPa，该最大围压能够满足实验最大压力的需求。

该模型系统主要设置有用于模拟气体在实际储层中流动的情况，该模型系统主要包括基质-天然裂缝-人工裂缝相串联形成的基质-裂缝系统。当气体流经该基质-天然裂缝-人工裂缝相串联形成的基质-裂缝系统时，其能够真实模拟储层中气体的流动情况，从而对实际开发具有实质性的指导意义。

在所述三级串联岩心夹持器的第一级岩心夹持器8入口端安装注入阀21。当该注入阀21打开时，气体增压注入系统提供的预定压力的气体能够进入该三级岩心夹持器中。

在所述注入阀21与第一级岩心夹持器8之间安装有第一压力表13，该第一压力表13用于获取第一级岩心夹持器8入口端的压力。具体的，该第一压力表13的量程可以为140MPa。

所述第一级岩心夹持器8与第二级岩心夹持器9之间安装有第二压力表14，该第二压力表14用于获取第一级岩心夹持器8出口端或者第二级岩心夹持器9入口端的压力。具体的，该第二压力表14的量程可以为80MPa。

在所述第二级岩心夹持器9与第三级岩心夹持器10之间安装有第三压力表15，该第三压力表15用于获取第二岩心夹持器9出口端或者第三岩心夹持器10入口端的压力。具体的，该第三压力表15的量程可以为20MPa。

整体上，本申请实施方式中，针对三级岩心夹持器的入口端均安装了相应的压力表，三级压力表的量程分别为140MPa、80MPa和20MPa，0.25％F.S。高压气体流经各级岩心后，在各级岩心上造成分压，入口压力逐级减小，小量程压力表测量压力更加精确。

此外，本申请实施方式中所提供的高温高压致密储层基质-裂缝系统气体流动模拟装置的计量系统可以包括：一个流量计11、一组温度传感器12及其数显表。

该流量计11用于安置在模型系统的出口端，即第三级岩心夹持器10的出口端，用于计量气体流量。该流量计11具体可以为皂膜流量计，当然其也可以为其他形式，本申请在此并不作具体的限定。此外，温度传感器12以及数显表也可以安装在模型系统的出口端，记录出口端温度，基于该出口端温度可以校正气体流量。

具体的，实验出口端压力相同，一般均是大气压，但因为每个实验出口端温度不同，气体流量就无法比较，所以要校正为同温度同压力下的气体流量。具体校正过程如下：根据理想气体状态方程PV＝nRT，P₁V₁/T₁＝P₂V₂/T₂，可以假设P₁＝P₂，为一个大气压，T₁为实测温度，T₂为校正的温度，V₁为实测气体流量，只有V₂一个未知数，因此可以利用该计算出的V₂校正该出口端测得的气体流量。

整体上，本申请实施方式中所提供的高温高压致密储层基质-裂缝系统气体流动模拟装置，根据致密气藏特征，能够实现高温高压条件下气体在储层基质-裂缝系统中的流动模拟，物理模拟不同温度及压力条件下气体从基质到天然裂缝与人工裂缝系统的耦合流动过程，为深入认识致密气藏气体流动规律、高效开发该类气藏提供实验基础与理论依据。

本申请实施方式中，基于上述高温高压下基质-裂缝系统气体流动模拟装置，还提供一种相应的气体流动模拟方法。请参阅图2，具体的，该基质-裂缝系统气体流动模拟方法可以包括如下步骤：

步骤S10：根据基质岩心和天然裂缝岩心渗透率比值，选取基质岩心和天然裂缝岩心，与人工裂缝岩心放置于三级岩心夹持器中，形成基质-天然裂缝-人工裂缝系统；

步骤S12：设定初始注入压力、有效应力、初始温度、实验目标压力和实验目标温度，基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心所对应的岩心夹持器的入口端分别为A节点、B节点、C节点，所述人工裂缝所对应的岩心夹持器的出口端为D节点，进行气体增压和注入；

步骤S14：保持有效应力和温度不变，按照一定的压力间隔，增加注入压力至所述实验目标压力；改变所述温度，按照一定的温度间隔，重复上述气体增压和注入的步骤，逐步增加温度至所述实验目标温度；或者，保持所述初始注入压力和有效应力不变，按照一定温度间隔，增加温度至所述实验目标温度；改变所述初始注入压力，按照一定的压力间隔，重复上述气体增压和注入的步骤，逐步增加压力至所述实验目标压力；

步骤S16：获取不同温度和压力条件下出口端流量以及A节点、B节点、C节点、D节点的压力。

具体进行实验时，可以选定研究区块，钻取天然岩心，对天然岩心洗油、烘干，并测量其初始渗透率和孔隙度，在渗透率级差范围内按照一定渗透率比值对基质与天然裂缝岩心进行组合。将圆柱钢块沿轴向劈开，用于模拟人工裂缝。

其中，渗透率级差可以通过对研究区块岩心的渗透率测试，确定基质岩心以及含天然裂缝岩心的渗透率最大值和最小值，根据最大值和最小值可以确定出渗透率级差，在渗透率级差范围内选取一定渗透率比值的基质及天然裂缝岩心组合。

接着设定初始注入压力、有效应力、初始温度、实验目标压力及温度；分别设置基质岩心、天然裂缝岩心及人工裂缝岩心夹持器的入口端为A、B和C节点，人工裂缝出口端为D点，记录实验过程中各点出口端的温度和压力。

其中，该初始注入压力、有效应力、初始温度、实验目标压力及温度可以根据研究区的孔压、上覆岩层压力和储层温度确定。在本实施方式中，该实验目标温度在20摄氏度-150摄氏度，所述实验目标压力在5MPa-140MPa。本申请所提供的基质-裂缝系统气体流动模拟装置，由于其组成和结构分布合理，特别是所有气体管线的管口焊接有防爆接头，能够保证该模拟装置能够达到较高的实验目标压力和实验目标温度，从而真实模拟该温度和压力范围内的储层。即使对于一些超过该温度范围和压力范围的储层，本申请所提供的模拟装置相对于现有的常温条件下的模拟装置，也能够较为接近实际储层环境。

然后保持有效应力和温度不变，按照一定的压力间隔，增加注入压力至所述实验目标压力；记录每个实验压力状态下A、B、C和D节点压力与出口流量；改变所述温度，按照一定的温度间隔，重复上述步骤，增加温度至所述实验目标温度；或者保持注入压力与有效应力不变，按照一定温度间隔，增加温度至实验目标温度，记录每个实验温度状态下A、B、C和D节点压力与出口流量；改变注入压力，按照一定的压力间隔，重复上述步骤，增加压力至实验目标压力。

其中，有效应力是围压与气体压力的函数，为了保证有效应力不变，即气体压力增大，围压也要相应的增加，从而保证有效应力不变。

后续基于上述每个实验温度状态下A、B、C和D节点压力与出口流量，可以分别建立不同温度条件下出口端流量与AB节点、BC节点、CD节点和AD节点的压力平方差之间的函数关系，基于达到所述目标压力时所述出口端流量的大小和所述函数关系对储层中气体流动能力进行评价，为优选改造方法提供依据。

需要说明的是，由于人工裂缝对于注入的流体阻力非常小，即CD节点的压差非常小，与其他节点的压差不在一个数量级上，绘制流量与节点压力平方差之间的函数关系时，单独绘制流量与CD节点的压力平方差之间的函数关系。

本申请实施方式中所建立的气体流动模拟装置和方法是为了模拟基质-裂缝系统的气体流动规律。其中，AB节点、BC节点、CD节点分别代表的是基质、天然裂缝与人工裂缝出口端与入口端的压力差，AD节点表示基质、天然裂缝、人工裂缝三级岩心出口端和入口端的压力差。当获取到出口端流量与AB节点、BC节点、CD节点、AD节点的压力平方差之间的函数关系后，基于达到所述目标压力时所述出口端流量的大小和所述函数关系对储层中气体流动能力进行评价，为优选改造方法提供依据。

此外，还可以根据实验结果修正气体流动方程。气体流动方程中气体的性质如密度和粘度等均是温度和压力的函数关系，此外，基质中气体滑脱效应以及裂缝岩心中告诉非达西渗流也受到温度和压力的影响，可以通过改变温度和压力进行气体流动模拟，根据实验数据，拟合函数曲线，从而修正考虑温度和压力影响的气体流动方程。

对于实际开发的储层而言，地层压力在生产过程中不断下降，本申请所提供的基质-裂缝系统气体流动模拟装置的气体流动模拟方法可以包括如下步骤：

步骤1：根据基质岩心和天然裂缝岩心渗透率比值，选取基质岩心和天然裂缝岩心，与人工裂缝岩心放置于三级岩心夹持器中，形成基质-天然裂缝-人工裂缝系统；

步骤2：设定初始注入压力、有效应力、实验目标压力和实验目标温度，基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心所对应的岩心夹持器的入口端分别为A节点、B节点、C节点，所述人工裂缝所对应的岩心夹持器的出口端为D节点，进行气体降压和注入；

保持有效应力和温度不变，按照一定的压力间隔，降低注入压力至所述实验目标压力；改变所述温度，重复上述步骤，增加温度至所述实验目标温度；

或者保持所述初始注入压力和有效应力不变，按照一定温度间隔，增加温度至所述实验目标温度；改变所述初始注入压力，按照一定的压力间隔，重复进行气体降压和注入，降低压力至所述实验目标压力；

步骤3：获取不同温度和压力条件下，出口端流量以及A节点、B节点、C节点、D节点的压力。

本说明书中给出了两个具体的实施例对上述高温高压致密储层基质-裂缝系统气体流动模拟方法进行说明。然而，值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明的不当限定。为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

某致密气藏，储层深度2090m～4080m，储层温度介于80℃～120℃，地层压力介于38MPa～54MPa，岩心基质孔隙度介于2％～7％，覆压渗透率介于10^-4mD～10^-2mD，构造裂缝发育，经过酸压改造后增产。

井下取心，制备基质岩心、天然裂缝岩心，选取基质岩心-天然裂缝岩心渗透率比值约为1：2的岩心组合，与劈裂的人工钢块组合成基质-裂缝系统，并按照顺序放置于三级岩心夹持器内，施加围压，使用胶套包裹好岩心。

实验温度为80℃，初始气体压力为5MPa，有效应力10MPa，以5MPa为压力间隔逐步增加气体压力至40MPa；在每个气体压力下，待各级压力表示数与出口端气体流量稳定的情况下，记录各级压力表压力与出口端气体流量。经过数据处理，绘制气体流量与节点压力平方差曲线图。

实验结果如图3和图4所示，A、B和C节点代表各级岩心夹持器入口端的测压点，D表示最后一级岩心夹持器出口端的测压点。由于基质-天然裂缝岩心渗透率比值为1：2，各级岩心气体分压不太明显，AD节点压力平方差最大，AB节点压力平方差次之，BC节点压力平方差再次之，CD节点压力平方差最小。对单岩心来说，在基质段消耗的压力较多，随着节点压力平方差的增大，气体流量变化缓慢，基质中气体流量与节点压力平方差的线性关系较差。

该组岩心组合气体流动可能受应力、滑脱效应、裂缝非达西流的影响较大，在建模时需要考虑上述因素。具体建模时应该根据实验数据，考虑在温度、压力对基质中气体滑脱效应的影响、以及裂缝岩心中高速非达西渗流的影响，修正温度和压力影响的气体滑脱因子以及非达西渗流系数，从而修正温度和压力对气体流动方程的影响。

实施例二：

所选研究区域为某高温高压致密气藏，储层深度：6000m～8000m，储层温度120℃～180℃，地层压力介于90MPa～140MPa，岩心基质孔隙度介于4.3％～5.5％，覆压渗透率小于10^-4mD～10^-2mD，构造裂缝发育，经过酸压改造后增产。

井下取心，钻取基质岩心、天然裂缝岩心，选取基质岩心-天然裂缝岩心渗透率比值约为1：27的岩心组合，与劈裂的人工钢块组合成基质-裂缝系统，并按照顺序放置于三级岩心夹持器内，并施加围压，使用胶套包裹好岩心。

为尽量保证实验安全，实验温度为80℃，初始气体压力为10MPa，有效应力10MPa，以10MPa为压力间隔逐步升压至40MPa；在每个气体压力下，待各级压力表示数与出口端气体流量稳定的情况下，记录各级压力表压力与出口端气体流量，经过数据处理，绘制气体流量与节点压力平方差曲线图；

实验结果如图5和图6所示，A、B和C节点代表各级岩心夹持器入口端的测压点，D表示最后一级岩心夹持器出口端的测压点。由于基质-天然裂缝岩心渗透率为1：27，各级岩心气体分压明显。AD节点压力平方差最大，AB节点压力平方差次之，BC节点压力平方差再次之，CD节点压力平方差最小，但AD节点压力平方差与AB节点压力平方差较为接近，在基质段消耗的压力极大；随着节点压力平方差的增大，气体流量也增加，基质中气体流量与节点压力平方差呈现出较好的线性关系。

在气体流量与节点压力平方差呈现出较好的线性关系，基本满足达西渗流的情况下，仍需考虑温度和压力影响对气体流程方程进行修正。

整体上，本发明实施方式中所提供的高温高压致密储层基质-裂缝系统气体流动模拟装置及其方法，其操作简单，符合致密气藏实际生产情况。本申请根据致密气藏特征，研发高温高压条件下储层基质-裂缝系统中气体流动模拟装置，物理模拟不同温度压力条件下气体从基质到裂缝系统的耦合流动过程，为深入认识致密气藏气体流动规律及该类气藏的高效开发提供实验基础与理论依据。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基质-裂缝系统气体流动模拟装置，其特征在于，包括：依次连接的气体增压注入系统、模型系统、恒温控制系统和计量系统，

所述气体增压注入系统包括：气源罐和对所述气源罐中流出的气体进行增压的增压机构；过滤罐，所述过滤罐内设置有活性炭和吸水硅胶；所述气源罐的出口设置有进气阀，所述进气阀与所述过滤罐之间设置有连接管线；所述增压机构包括：相互并联的第一活塞容器和第二活塞容器，以及增压泵，所述第一活塞容器和所述第二活塞容器具有上端并联节点和下端并联节点，所述上端并联节点包括第一管口和第二管口，所述第一管口通过设置有第一连通阀的管线与所述连接管线相连接，所述第二管口通过设置有第二连通阀的管线与所述连接管线相连接；所述下端并联节点的管口与所述增压泵相连接；所述第一活塞容器和所述第二活塞容器通过活塞间隔形成有上腔室和下腔室，其中，所述上腔室盛装气体，所述下腔室盛装液体；所述第一活塞容器的容积大于所述第二活塞容器的容积，所述第一活塞容器的工作压力小于所述第二活塞容器的工作压力；

所述模型系统包括：串联的三级岩心夹持器、为所述岩心夹持器提供围压的围压泵，以及设置在每级岩心夹持器入口端的压力表；所述三级岩心夹持器中依次装有基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心；

所述恒温控制系统设在所述模型系统外，用于模拟地层温度；

所述计量系统包括设置在最后一级所述岩心夹持器出口端的流量计和温度传感器。

2.如权利要求1所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置，其特征在于，所述基质-裂缝系统气体流动模拟装置中的所有气体管线的管口焊接有防爆接头。

3.如权利要求2所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置，其特征在于，所述三级岩心夹持器分别为第一级岩心夹持器、第二级岩心夹持器、第三级岩心夹持器，所述第一级岩心夹持器的入口端设置有第一压力表，所述第二级岩心夹持器的入口端设置第二压力表，所述第三级岩心夹持器的入口端设置有第三压力表，所述围压泵同时向所述第一级岩心夹持器、第二级岩心夹持器和第三级岩心夹持器提供围压。

4.如权利要求3所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置，其特征在于，所述第一活塞容器的容积为2L，最大工作压力为50MPa；第二活塞容器的容积为500mL，最大工作压力为140MPa，所述第一压力表的量程为140MPa，所述第二压力表的量程为80MPa，所述第三压力表的量程为20MPa，所述恒温控制系统包括恒温箱，以及设置在所述恒温箱的侧面底部的循环风机。

5.基于权利要求3所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置的气体流动模拟方法，其特征在于，包括：

根据基质岩心和天然裂缝岩心渗透率比值，选取基质岩心和天然裂缝岩心，与人工裂缝岩心放置于三级岩心夹持器中，形成基质-天然裂缝-人工裂缝系统；

设定初始注入压力、有效应力、初始温度、实验目标压力和实验目标温度，基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心所对应的岩心夹持器的入口端分别为A节点、B节点、C节点，所述人工裂缝所对应的岩心夹持器的出口端为D节点，进行气体增压和注入；

保持有效应力和温度不变，按照一定的压力间隔，增加注入压力至所述实验目标压力；改变所述温度，按照一定的温度间隔，重复上述气体增压和注入的步骤，逐步增加温度至所述实验目标温度；或者，保持所述初始注入压力和有效应力不变，按照一定温度间隔，增加温度至所述实验目标温度；改变所述初始注入压力，按照一定的压力间隔，重复上述气体增压和注入的步骤，逐步增加压力至所述实验目标压力；

获取不同温度和压力条件下出口端流量以及A节点、B节点、C节点、D节点的压力。

6.如权利要求5所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置的气体流动模拟方法，其特征在于，所述实验目标温度从20摄氏度升高到150摄氏度，增压过程中所述实验目标压力从5MPa增加到140MPa。

7.基于权利要求3所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置的气体流动模拟方法，其特征在于，包括：

根据基质岩心和天然裂缝岩心渗透率比值，选取基质岩心和天然裂缝岩心，与人工裂缝岩心放置于三级岩心夹持器中，形成基质-天然裂缝-人工裂缝系统；

设定初始注入压力、有效应力、实验目标压力和实验目标温度，基质岩心、天然裂缝岩心、人工裂缝岩心所对应的岩心夹持器的入口端分别为A节点、B节点、C节点，所述人工裂缝所对应的岩心夹持器的出口端为D节点，进行气体降压和注入；

保持有效应力和温度不变，按照一定的压力间隔，降低注入压力至所述实验目标压力；改变所述温度，重复上述气体降压和注入的步骤，逐步增加温度至所述实验目标温度；或者，保持所述初始注入压力和有效应力不变，按照一定温度间隔，增加温度至所述实验目标温度；改变所述初始注入压力，按照一定的压力间隔，重复上述气体降压和注入的步骤，降低压力至所述实验目标压力；

获取不同温度和压力条件下，出口端流量以及A节点、B节点、C节点、D节点的压力。

8.如权利要求7所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置的气体流动模拟方法，其特征在于，所述实验目标温度从20摄氏度升高到150摄氏度，降压过程中所述实验目标压力从140MPa降低到5MPa。

9.基于权利要求1至4任一所述的基质-裂缝系统气体流动模拟装置的气体流动模拟方法，其特征在于，气体流动方程中气体的性质均是温度和压力的函数关系，所述气体的性质包括密度、粘度，基质中气体滑脱效应以及裂缝岩心中非达西渗流也受到温度和压力的影响，所述方法还包括：

改变温度和压力进行气体流动模拟，然后根据实验数据，拟合函数曲线，修正考虑温度和压力影响的气体流动方程。

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